Muinaiset bakteerit melkein kahden mailin päässä maan pinnasta: se veti ensin Tullis Onstottin aloittamaan elämänhaun epätodennäköisimmistä paikoista. Geomikrobiologi oli juuri osallistunut Yhdysvaltain energiaministeriön vuonna 1992 pidettyyn kokoukseen, joka käsitteli kiviä, joiden arvioidaan olevan yli 200 miljoonaa vuotta vanhoja - vanhempia kuin useimmat dinosaurukset. Nämä esihistorialliset kivet olivat löydetty kaasun etsintäkaivosta, ja ne osoittautuivat täynnä bakteereja.
Asiaan liittyvä sisältö
- Salaperäinen marsilainen "kukkakaali" saattaa olla viimeisin vinkki ulkomaalaisen elämästä
- Vuosikymmenten mittainen pyrkimys porata maan vaippaan saattaa pian lyödä palkkaa
"Se oli minulle melko uskomatonta", sanoo Princetonin yliopiston Onstott. "Ajatus siitä, että nämä bakteerit olivat eläneet näissä triassisissa kiveissä sen jälkeen kun ne oli talletettu aikaisemmin kuin dinosaurusten ikä, ajatus sai mieleeni", hän sanoo.
Nämä kivet olivat ensimmäisten merkittävien todisteiden perusteella siitä, että elämä oli olemassa maileina maan alla, ja ne aloittivat tutkijoiden pyrkimykset tutkia elämää ns. Syvässä maanpinnassa. Viimeisen 20 vuoden aikana Onstott ja muut ovat havainneet, että elämä on monimuotoisempaa monimutkaisemmissa paikoissa kuin kukaan oli kuvitellut.
Syvää elämää on löytynyt kaikkialta maailmasta ja erilaisissa olosuhteissa - öljykentistä ja kultakaivoksista, Grönlannin ja Antarktikan jäälevyjen alla sekä sedimenteissä ja kallioissa merenpohjan alla. Nämä paikat voivat olla erittäin vihamielisiä ympäristöjä, joiden paineet ovat 10–100-kertaiset pinnan paineisiin nähden. Lämpötilat voivat vaihdella lähes jäätymisestä yli 140 asteeseen Fahrenheit.
Mailin tai enemmän pinnan alapuolella ei ole auringonvaloa ja erittäin vähän happea. Näissä karuissa ympäristöissä olentojen on raaputettava elantonsa mistä tahansa energiasta, jota he voivat kerätä ympäristöstään. Tämä tarkoittaa, että elämäntahti siellä voi joskus olla uskomattoman hidasta. Nämä mikrobit voivat olla tuhat tai miljoona kertaa vähemmän runsas kuin heidän veljensä maanpinnan yläpuolella. Ja jotkut ovat saattaneet olla olemassa satoja, tuhansia tai jopa miljoonia vuosia - todellisia mikroskooppisia metuselaheja.
Nämä syvien olennot ovat erilaisia, koostuen bakteereista ja muista yksisoluisista organismeista, nimeltään archaea. Pinnan alapuolella on jopa monisoluisia eläimiä, mukaan lukien pienet madot, joita kutsutaan nematodeiksi.
"Mikä on yllättävää, kun jatkamme tutkintaa tätä syvää piilotettua maailmankaikkeutta, on se, että se on monimutkaisempi alhaalla kuin voisimme kuvitella, kun aloimme tutkia triassisia näytteitä takaisin 90-luvulla", sanoo Onstott.
Tämä monimutkaisuus on avannut tutkijoille mahdollisuuksien maailman, myrkyllisten jätteiden puhdistamisesta maanpäällisen elämän etsimiseen. Jotkut näistä syvistä organismeista ravitsevat suoraan metalleista ja mineraaleista, ja ne voivat vaikuttaa pohjaveteen lisäämällä tai laskemalla arseenin, uraanin ja myrkyllisten metallien pitoisuuksia. Tutkijat toivovat, että näitä bakteereja voidaan pian mukauttaa tarttumaan tai poistamaan sellaisia haitallisia aineita esimerkiksi kaivoksesta vuotavasta jätevesistä.
Mutta ehkä houkuttelevinta on ajatus siitä, että olosuhteet syvällä maanalaisessa ympäristössä ovat niin vieraita, että ne saattavat antaa tutkijoille vihjeitä siitä, mistä löytää maan ulkopuolinen elämä - ja miltä se voi näyttää.
"Se liittyy suoraan siihen, voisiko elämä olla olemassa Marsin pinnan alla", sanoo Onstott. "Juuri se veti minut tähän kenttään get-go-toiminnasta ja on silti kuljettaja minulle."
Äärimmäisten ympäristöjen ja organismien suhteellisen niukkuuden välillä tutkijat menevät pitkään - ja syvyyteen - tutkimaan näitä mikrobia. He uskaltavat kaivoksiin ja luoliin tai käyttävät porauksia näytteiden ottamiseksi maanpäällisistä kohteista tai valtameren pohjasta. Joillakin alueilla jopa yhden näytteen saaminen voi viedä useita päiviä. "Ei ole helppoa mennä maan päähän ja porata, tai mennä arktiselle alueelle ja mennä mailin alle maan päälle näytteen saamiseksi", Onstott sanoo.
Helely-syvyyden koettaminen
Maggie Lau etsii elämää melkein mailin maapallon alapuolella, Etelä-Afrikan Beatrix-kultakaivoksessa. Se on kuuma ja kostea, ja vain ajovalaisimet rikkovat pimeyttä, kun Princetonin yliopiston Onstott-ryhmän geomikrobiologi Lau kerää vettä porausreikistä. Nämä ovat reikiä, jotka geologit ovat poranneet kallioon ja etsivät kaasu- ja vesitaskuja ennen kaivostoimintoja. Lau täyttää valikoiman pulloja kaasu- ja vesinäytteillä, joiden tilavuus vaihtelee alle tl: n arvosta hiukan yli kahteen pinttiin.
Maggie Lau kerää reikävettä pullossa, joka on yli kaksi mailia maanpinnan alapuolella Etelä-Afrikan TauTona-kultakaivoksessa. (Francois Vermeulen (Geotieteiden johtaja, AngloGold Ashanti Limited)) Kaasu, jonka Lau kerää, voi paljastaa, kuinka vanha vesi on. "Tutkimani näytteet ovat noin 40 000 - 80 000 vuotta vanhoja", hän sanoo. Vesi on saattanut olla peräisin pinnalta ja valunut läpi halkeamien tuhansien tai jopa miljoonien vuosien ajan, jolloin mikro-organismit joko pinnasta tai maanpinnan matalimmista alueista laskevat sen mukanaan.
Toisin kuin vettä, Lau kulkee nopeamman ja dramaattisemman reitin tutkimusalueelle. Hän suuntaa miinan akselin alas nostokorissa - joka pudottaa melkein mailin alle minuutissa - ja kävelee sitten maili tai enemmän ladatulla reppulla. Jotkut tunnelit vaativat tutkijoita indeksoimaan, vetämällä pakkauksiaan takanaan tai kävelemään polvi- tai reisikorkean veden läpi tulvinut osiot. Toisinaan hissikoria ei ole saatavana kovan työpäivän jälkeen, ja Laun ja Onstottin on vietävä portaat takaisin ylös. "Vitsailemme, että tämä oli kuin portaikko taivaaseen", hän sanoo.
Helvetin syvyyksissä, joissa vesi voi nousta 130 astetta Fahrenheit ja itse kivet ovat usein lämpimiä kosketusta varten, ei ole paljon elämää. Kerätäkseen mahdollisimman monta elävää solua analyysia varten Lau jättää osan injektiopulloistaan suodattaakseen satoja tuhansia galloneita vettä useiden viikkojen tai muutamien kuukausien aikana.
Noin mailin päässä pinta-alasta Lau löytää yleensä 1 000–10 000 solua alle teelusikallisessa vedessä. Se voi tuntua paljon, mutta ripaus maaperää takapihaltasi voi sisältää 100 000 - miljoonaa kertaa niin monta solua. Yli mailin maanalaisissa kohteissa voi olla vain 500 solua teelusikallista vettä. Lau arvioi, että hänen olisi pitänyt suodattaa vettä jatkuvasti 200 päivän ajan saadakseen tarpeeksi DNA: ta ja RNA: ta analyysiinsä.
Bakteerilajien kasvattaminen laboratoriossa voi olla vaikeaa tietämättä heidän syömäänsä erityistä ruokaa tai tarkkaa olosuhteita, joissa ne viihtyvät. Tutkijat ovat kyenneet kasvattamaan vain noin prosentin bakteereista, jotka ovat löytäneet syvän kentän alueilta. Seurauksena suurin osa lajeista tunnetaan vain niiden ainutlaatuisista molekyylisignaareista - ja DNA- tai RNA-sekvensointi on paljastanut lukuisia aiemmin tuntemattomia bakteereja näytteissä, jotka tutkijat ovat keränneet sinne.
Tässä aikarajallisessa videossa tutkijat keräävät näytteitä Etelä-Afrikan kultakaivoksesta. (kirjoittanut Gaetan Borgonie)Viimeksi Lau menee askeleen eteenpäin selville, mitä siellä asuu - hän haluaa tietää, mitä he tekevät elantonsa puolesta. Ilman auringonvaloa ja kasveja tarttumaan auringon energiaan fotosynteesin avulla, näiden syvästi elävien bakteerien on selviytyvä energiasta kivien ja veden välisissä kemiallisissa reaktioissa. Nämä reaktiot voivat tuottaa vetyä, metaania ja sulfaatteja, ja tutkijoiden mielestä nämä kolme kemikaalia polttaisivat suurimman osan näissä syvissä ympäristöissä elävistä bakteereista.
Yllätyksekseen Lau totesi, että näin ei ollut. Sen sijaan kemikaalit ylläpitävät vain pienen osan bakteereista, jotka sitten tuottavat rikkiä ja nitraatteja. Näissä sekundaarisissa kemikaaleissa ruokkineet bakteerit hallitsivat näitä ympäristöjä.
Tämä tarkoittaa, että tutkiessaan syvää elämää joko maapallolla tai muissa maailmoissa, tutkijoiden tulisi etsiä laajempaa metabolisten reaktioiden valikoimaa. ”Älä keskity vain muutamiin tärkeimpiin prosesseihin. Meidän pitäisi olla avoimempia katsomaan täydellistä ja täydellistä aineenvaihduntamaisemaa ”, Lau sanoo.
"Se, että pystymme näkemään, mitä he kaikki tekevät siellä nyt, on ehdottomasti mielenkiintoisin asia, jota olemme aina halunneet tehdä ja yrittäneet selvittää, kuinka tehdä viimeiset 20 vuotta, ja nyt voimme tee lopulta se ”, sanoo Onstott.
"[Laun] ensimmäinen tilannekuva, se on kuin saada ensimmäinen kuva takaisin Marsilta tai jotain, se on uskomatonta", hän lisää.
Todellinen eläintarha
Siellä missä saalis on, siellä on yleensä saalistajia. Ja bakteerit tekevät maukkaan aterian monille olentoille.
Kun Gaetan Borgonie kuuli näistä syvistä bakteereista, hän pohti, voisiko hän löytää samoista maanalaisista paikoista nematodeiksi kutsuttuja matoja, jotka ravitsevat bakteereja. Borgonie, eläintieteilijä Extreme Life Isyensyassa Gentbruggessa, Belgiassa, oli työskennellyt näiden matojen parissa 20 vuotta. Hän tiesi, että nematodit voivat selviytyä monenlaisista olosuhteista pinnalla, mukaan lukien erittäin kuumat tai kylmät lämpötilat ja erittäin alhaiset happitasot, joten teoriassa ne sopivat hyvin olosuhteisiin syvällä maanalaisessa ympäristössä.
Borgonie soitti Onstottille, joka kutsui hänet tutustumaan kaivoksiin Etelä-Afrikassa. Mutta näiden matojen löytäminen ei ollut helppoa. Vaikka niitä on pinnalla erittäin runsaasti, Borgonien oli kaivoksissa otettava näytteitä yli 2500 gallonaa vettä yksittäisen nematodin löytämiseksi. "Sinun on todella vaihdettava ajattelutapaa ja jätettävä se mitä tiedät pinnalta, koska maanalainen on erilainen planeetta", hän sanoo.
Borgonie löysi suuren määrän nematodeja, jotka elävät kaivoksissa 3 000–12 000 vuotta vanhassa vedessä kairanreikistä sekä kaivoksen tunneleista ripustetuissa piikkilasissa. Näihin kuului yksi uusi laji, joka löydettiin melkein mailin päässä pinnasta, ja toinen tuntematon mato, joka elää yli kaksi mailia alas. Nämä eläimet olivat ensimmäisiä todisteita monisoluisesta eukaryoottisesta elämästä tällä syvällä, Borgonie sanoo.
Toisin kuin näillä syvyyksillä löydetyt ainutlaatuiset bakteerit, suurin osa matoista kuului pinnalta löytyneisiin lajeihin. "Nämä eläimet ovat jo tottuneet stressiin, ja pinnalla opportunistiset eläimet toimivat erittäin hyvin maan alla", Borgonie sanoo.
Syvä ympäristö voi tosiasiallisesti tarjota joitain etuja, kun otetaan huomioon vakaat olosuhteet ja matojen saalistajien puute. "Heille se on kuin loma", Borgonie sanoo.
Valkoiset nuolet osoittavat bakteereihin, joita löydetään biokalvoista porareikävedessä Etelä-Afrikan Kopanangin kultakaivoksesta. (Gaetan Borgonie) Koska Borgonie oli vakuuttunut siitä, että kaivoksissa pitäisi elää enemmän tällaisia olentoja, se jätti näytteenottolaitteistonsa Etelä-Afrikan Driefonteinin kultakaivoksessa kahdeksi vuodeksi suodattaakseen yli kolme miljoonaa gallonaa vettä - tarpeeksi täyttääkseen lähes viisi olympiakokoista uima-allasta.
”Silloin löysimme koko eläintarhan”, Borgonie sanoo. Hän tunnisti useita muita monisoluisia organismeja, mukaan lukien lima- ja segmentoidut madot, samoin kuin mitä äyriäisiksi näytti. Lähes kaikki nämä lajit selvisivät syömällä bakteereja.
Näiden organismien löytäminen on rohkaisevaa tutkijoille, jotka etsivät maapallon ulkopuolista elämää, Borgonie sanoo. "Minusta on erittäin hyvä, että löydämme niin valtavan ekosysteemin maan alla", hän sanoo. "Jos pystymme todistamaan, että he voivat selviytyä loputtomiin maan alla, se voi olla erittäin hyvä uutinen ihmisille, jotka etsivät elämää Marsista."
"Haluaisin todella rakastaa [tehdä tätä] työtä planeetalla Mars", hän sanoo. "Siksi sanon aina, että jos olen koskaan antanut minulle yhdensuuntaisen lipun Marsiin, olen poissa."
Alien Deep
Borgoniella ei ehkä vielä ole lippua, mutta tulevat avaruustutkimusmatkat voivat antaa meille paremman kuvan siitä, voisiko aurinkokunnan muut osat tukea elämää.
"Yksi asioista, jotka ovat antaneet ihmisille optimismin astrobiologian suhteen, on havainto, että on olemassa organismeja, jotka voivat pysyä siinä, jota pitäisimme erittäin äärimmäisissä olosuhteissa", kertoo NASA Amesin tutkimuskeskuksen astrobiologi Tori Hoehler. Hoehler on NASA: n Astrobiologiainstituutin rock-Powered Life -tiimin jäsen, joka tutkii, kuinka erilaisten kivien ja veden väliset reaktiot voivat tuottaa tarpeeksi energiaa elämän tukemiseksi.
"Yksi yleisimmistä luontotyypeistä, jota siellä on käytettävissä, on kallion ja veden määrittelemä luontotyyppi", Hoehler sanoo. Voitte kuvitella pohjavesikerroksia, jotka istuvat syvällä Marsin pinnan alla tai valtamerejä, jotka liukuvat Jupiterin kuun Europa tai Saturnuksen kuun Enceladusin kivisen kuoren yläpuolelle, hän sanoo.
NASA: n Europa Multiple Flyby -operaatio, jonka odotetaan käynnistyvän seuraavan viiden tai kymmenen vuoden aikana, antaa tutkijoille paremman kuvan siitä, onko Jupiterin jäisessä kuussa ympäristöä, joka voisi tukea elämää. Marsin osalta tutkijat ovat siirtyneet kysymään, löytävätkö he sopivia ympäristöjä, etsimään todisteita itse elämästä, Hoehler sanoo.
Vaikka olosuhteet Marsin pinnalla ovat tällä hetkellä erittäin tuntemattomia elämälle, planeetalla näyttää olevan ollut ilmapiiri ja pintavedet jossain vaiheessa menneisyydestään. Jos elämä olisi sitten kehittynyt, se olisi voinut levitä Marsin pintaan, missä ympäristö pysyi vakaana, vaikka pinta muuttui vihamieliseksi. On mahdollista, että elämä jatkuu edelleen syvällä maan alla, odottaen meitä kaivaamaan sen ulos.
Taiteilijan tekemä ESA: n ExoMars Rover, jonka mukana tulee pora, joka on suunniteltu koettamaan 6, 5 metrin alapuolelle Marsin pintaan. (ESA) Meidän ei tarvitse odottaa liian kauan saadaksesi ensimmäisen kurkistuksen Marsin pinnan alle. Euroopan avaruusjärjestön vuoden 2018 ExoMars-operaatio poraa noin kuusi jalkaa Marsin pinnan alapuolelle etsimään elämän merkkejä. Se ei ehkä ole tarpeeksi syvä elävien organismien löytämiseksi, mutta sen pitäisi olla riittävän kaukana pinnan alapuolelta, jotta voisimme löytää todisteita elämästä.
Yli 20 vuotta siitä, kun muinaiset bakteerit antoivat hänelle vilkaisun maan syvään elämään, Onstott ei voi odottaa näkevänsä Marsista löytyvää, varsinkin kun tutkijat voivat kaivaa vähän syvemmälle.
"Jos Marsilla on makea paikka, jostain, josta saat juuri oikean lämpötilan ja veden tasapainon, niin siellä voi olla organismeja, jotka selviävät näissä olosuhteissa."
Lisätietoja tästä tutkimuksesta ja muusta Deep Carbon Observatoryssa.
